微型气浮轴承高速透平膨胀机的研制

    近年来,随着工业及科技发展的需要,微小型气体轴承高速透平机械在很多领域已得到了快速发展,如移动式电源分布系统、燃料电池所用的空气燃料处理系统等具有宽广的应用前景,其中以微小型低温制冷机及微小型动力发生装置最为突出.研制相应的稳定可靠的微小型气体轴承高速透平机械也已成为开发研制微小型低温制冷机等微小型装置的关注焦点,人们普遍期待微小型高速透平机械能有较好的热效率及良好的运转稳定性,以保证所配套的低温装置或动力装置能达到预期的制冷或动力要求.在发展微小型高速透平机械的过程中,采用气体轴承已显示出了极大优势,国外不仅明显加快了动压气体轴承微小型高速透平机械的研制步伐,并且对微小型静压气体轴承高速透平机械也给予了充分关注,并已陆续有轴径小于6 mm、转速100 000r/min以上的相应研制样机问世[1-7].近年来,国外所研制的样机主要集中在轮径小于10 mm的静压气体轴承高速透平,其尺寸小、转速高(300 000 r/min以上).

    目前,我们正积极研制国内首台轴径为6 mm、轮径为9 mm、转速为300 000 r/min的手掌型气体轴承透平膨胀机样机,鉴于其研制具有的高难度,研制第1阶段采用了小孔供气静压气体轴承以开发试验样机,第2阶段则拟采用新型箔片动压气体轴承以实现轴承无需外界气源供气的要求.本文拟对微小型高速静压气体轴承透平膨胀机的研制做简要阐述,通过试验研究以揭示研制样机的机械和热力性能.

     1   研制样机的设计及结构

     微小型高速透平膨胀机是利用工质流动时速度的变化来转化能量,为了保证结构的简化,而且满足单级比焓降的特点,采用单级径轴流反动式透平的方案,在采用一元设计方法的基础上,通过优化设计对通流部件内气体流动过程进行了分析计算,设计了一台流量为10 m3/h的微小型气体轴承透平膨胀机样机.其主要参数为:进口压力p0=014 MPa;出口压力p2=0111 MPa;进口温度T0=253 K;等熵效率Gs=0145;工作轮外径D1=9 mm;主轴直径D=6 mm;设计转速n=300 000 r/min.图1所示为研制样机的实物外形图.

   在样机设计中,采用径-轴流反动式工作轮,输出轴功率由径向风机叶轮吸收,工作轮与风机轮分置主轴两端.转子主轴及轴承系统曾设计为单止推盘近风机轮端配置的形式,如图2a所示,但经模型样机的初步试验,显示出止推盘在近风机端一侧的止推静压气体轴承,由于供气通道的设计易产生供气泄漏,导致止推轴承供气压力下降,影响透平膨胀机的正常运转,因此通过分析比较,将主轴及轴承设计方案改进为主轴单止推盘中间配置的形式,如图2b所示.本文试验主要针对图2b所示的结构型式进行了详细试验研究.实验转子总长59 mm,质量为1114 g.试验时转子支撑系统采用不同型式的全静压气体轴承的方案,静压径向轴承采用双排切向小孔供气型,每排8孔,供气孔直径为013 mm.静压止推轴承则因转子承受轴向力较小采用单排小孔供气的平面止推型,8孔圆周均布,孔径亦为013mm.选择切向小孔供气静压径向气体轴承的结构方案,主要是因为其结构简单,制作方便,且由于逆切向供气在轴承间隙Cr中产生的切向环流速度(如图3中环流角速度X0所示)与转子正常运转角速度X方向相反,可抑制、推迟自激涡动的发生,显著提高了透平膨胀机的运转稳定性.